過程控制流量控制課程設(shè)計--流量控制系統(tǒng)設(shè)計

1、<p><b>　　《過程控制系統(tǒng)》</b></p><p><b>　　課程設(shè)計報告</b></p><p>　　設(shè)計題目 流量控制系統(tǒng)設(shè)計 </p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第一章 過程控制系統(tǒng)

2、設(shè)計的目的意義 1</p><p>　　1.1 設(shè)計目的 1</p><p>　　1.2 課程在教學計劃中的地位和作用 1</p>&l

3、t;p>　　第二章 控制系統(tǒng)實驗控制設(shè)計與調(diào)試 1</p><p>　　2.1 流量控制系統(tǒng)的工藝及控制要求 2</p><p>　　2.2 流量系統(tǒng)控制實驗方案設(shè)計 3 &l

4、t;/p><p>　　2.3 系統(tǒng)調(diào)試與控制效果4</p><p>　　第三章 流量控制系統(tǒng)設(shè)計 5</p><p>　　3.1流量控制系統(tǒng)總設(shè)計圖 6

5、 </p><p>　　3.2控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 9</p><p>　　第四章 收獲、體會和建議 10</p><p>　　參考文獻

6、 12 </p><p>　　第一章 過程控制系統(tǒng)設(shè)計的目的意義</p><p><b>　　設(shè)計目的</b></p><p>　　本課程設(shè)計是為《過程控制儀表》課程而開設(shè)的綜合實踐教學環(huán)節(jié)，是對《現(xiàn)代檢測技術(shù)》、《自動

7、控制理論》、《過程控制儀表》、《計算機控制技術(shù)》等前期課堂學習內(nèi)容的綜合應(yīng)用。其目的在于培養(yǎng)學生綜合運用理論知識來分析和解決實際問題的能力，使學生通過自己動手對一個工業(yè)過程控制對象進行儀表設(shè)計與選型，促進學生對儀表及其理論與設(shè)計的進一步認識。其主要是設(shè)計工業(yè)生產(chǎn)過程經(jīng)常遇到的壓力、流量、液位及溫度控制系統(tǒng)，使學生將理論與實踐有機地結(jié)合起來，有效的鞏固與提高理論教學效果。</p><p>　　課程在教學計劃中的地位

8、和作用</p><p>　　課程設(shè)計對過程控制課程有重要的實踐意義，可以加深學生對所學知識的理解與運用。主要的內(nèi)容是通過對典型工業(yè)生產(chǎn)過程中常見的典型工藝參數(shù)的測量方法、信號處理技術(shù)和控制系統(tǒng)的設(shè)計，掌握測控對象參數(shù)檢測方法、變送器的功能、測控通道技術(shù)、執(zhí)行器和調(diào)節(jié)閥的功能、過程控制儀表的PID控制參數(shù)整定方法，進一步加強對課堂理論知識的理解與綜合應(yīng)用能力，進而提高學生解決實際工程問題的能力。基本要求如下:<

9、;/p><p>　　1. 掌握變送器功能原理，能選擇合理的變送器類型型號；</p><p>　　2. 掌握執(zhí)行器、調(diào)節(jié)閥的功能原理，能選擇合理的器件類型型號；</p><p>　　3. 掌握PID調(diào)節(jié)器的功能原理，完成相應(yīng)的壓力、流量、液位及溫度控制系統(tǒng)的總體設(shè)計，并畫出控制系統(tǒng)的原理圖和系統(tǒng)主要程序框圖。</p><p>　　4． 通過對一個典

10、型工業(yè)生產(chǎn)過程進行分析，并對其中的一個參數(shù)（如溫度、壓力、流量、液位）設(shè)計其控制系統(tǒng)。</p><p>　　以上的課程設(shè)計要求充分地結(jié)合了教材理論知識，將理論上的常用工程設(shè)計過程運用到了課程設(shè)計之中。從整個系統(tǒng)的角度講，課程將過程控制硬件系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)同書本中的理論知識有機地結(jié)合起來了，使學生要選定一個具體的工藝過程控制，從底層基本的器件選型到頂層高級的目標控制一步步實現(xiàn)，使我們體會到一個系統(tǒng)的具體構(gòu)建過程，體驗

11、了過程控制系統(tǒng)的基本設(shè)計思路，提高了系統(tǒng)設(shè)計能力?？梢?，課程設(shè)計對我們學習這門課有著啟發(fā)性與重大的指導性意義。</p><p>　　第二章 流量控制系統(tǒng)實驗控制設(shè)計與調(diào)試 </p><p>　　流量控制系統(tǒng)的工藝及控制要求</p><p>　　工業(yè)生產(chǎn)過程中，對于生產(chǎn)裝置的溫度、壓力、流量、液位等工藝變量常常要求維持在一定的數(shù)值上，或按一定的規(guī)律變化，以滿足生產(chǎn)工

12、藝的要求。PID控制器是根據(jù)PID控制原理對整個控制系統(tǒng)進行偏差調(diào)節(jié)，從而使被控變量的實際值與工藝要求的預定值一致。其中不同的控制規(guī)律適用于不同的生產(chǎn)過程，必須合理選擇相應(yīng)的控制規(guī)律，否則PID控制器將達不到預期的控制效果。  流量控制系統(tǒng)不包含影響調(diào)節(jié)過程快速性的大滯后效應(yīng)和大慣性特性，所以系統(tǒng)響應(yīng)快，通頻帶寬；系統(tǒng)中普遍存在外擾，如負載流量的波動和泵的脈動造成的壓力脈動等。因此應(yīng)綜合考慮系統(tǒng)的快速性、穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)誤差、抗干

13、擾能力等進行綜合設(shè)計。流量控制系統(tǒng)的被控變量可以選擇內(nèi)容器或外容器的流量，操作變量則可以選擇進內(nèi)容器調(diào)節(jié)閥或外容器調(diào)節(jié)閥控制容器進水流量。要求通過比較反饋，再經(jīng)PID調(diào)節(jié)器運算，最后調(diào)節(jié)電子閥的閥門開度，改變流入水箱的水流量以達到控制的目的。流量控制系統(tǒng)不包含影響調(diào)節(jié)過程快速性的大滯后效應(yīng)和大慣性特性，所以系統(tǒng)響應(yīng)快，通頻帶寬；系統(tǒng)中普遍存在外擾，如負載流量的波動和泵的脈動造成的壓力脈動等。因此控制要求系統(tǒng)的快速性、穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)誤差、抗

14、干擾能力</p><p>　　流量系統(tǒng)控制實驗方案設(shè)計</p><p>　　該裝置由嵌套的兩個容器、 流體輸送裝置及相關(guān)的檢測、變送、執(zhí)行儀表組成。配套的儀表屏上安裝了控制、 顯示、記錄等儀表和水泵的啟動、停止按鈕，并配有帶連接信號插座孔的工藝模擬流程圖。工藝過程模擬流程圖如圖1所示。</p><p>　　圖2.1 帶連接信號插座孔的流量裝置工藝模擬流程圖</

15、p><p>　　上圖2.1中，標有字母的方塊為各種儀表，O為各儀表輸入、輸出的單線插件的插孔（+,- 插孔）。其中：</p><p>　　C：控制器（調(diào)節(jié)器）。該裝置配有4個單回路調(diào)節(jié)器，其中C1、C2和C3的控制輸出信號為4~20mA，C4的控制輸出信號為固態(tài)繼電器控制信號，每個調(diào)節(jié)器設(shè)有三對插座孔（＋，－插孔）。其中: PV孔為測量值輸入，SV孔為外設(shè)定輸入或閥位反饋信號輸入，O孔為調(diào)節(jié)器

16、輸出。</p><p>　　R：記錄儀為無紙4通道記錄儀，輸入信號4~20mA，其中R1為1號通道，R2為2號通道，R3為3號通道，R4為4號通道。到每個通道有兩個插座孔，其中上孔（＋插孔）接變送器來的信號，下孔（－插孔）用來轉(zhuǎn)接到其他儀表作為輸入信號，不能接錯。</p><p>　　V1~2和I1~2 ：兩路電壓/電流轉(zhuǎn)換器。其中V1為第1路電壓輸入信號端，I1 為第1路電流輸出信號端，

17、V2為第2路電壓輸入信號端，I2 為第2路電流輸出信號端，O上孔（＋插孔）接電壓/電流轉(zhuǎn)換器來的正信號，下孔（－插孔）接電壓/電流轉(zhuǎn)換器來的負信號，不能接錯。</p><p>　　FT：流量變送器。流量變送器有二種，一種為LZ型金屬管浮子流量計，輸入0~50L/h，輸出4~20 mA信號 ，另一種為LWGY型渦輪流量計，輸入0~400L/h，輸出4~20 mA信號 ，它們都需外部提供24V工作電源。接線方式為負載

18、正端接FT（+）流量變送器正端，負載負端接FT（―）流量變送器負端。</p><p>　　VL：電子式電動調(diào)節(jié)閥為電子小流量調(diào)節(jié)閥，電動調(diào)節(jié)閥輸入4~20 mA電流信號，對應(yīng)閥門輸出開度0~100%。</p><p>　　X/Y：乘除器。信號X、Y、Z之間的關(guān)系為：Z＝X＊A或Z＝Y(jié)＊A。其中A=0~1.0，B=0，X、Y為輸入信號，Z為輸出信號，這三對插座孔均為4~20mA信號。<

19、/p><p>　　整個裝置有兩個檢測變量（內(nèi)容器流量、外容器流量），可從中選擇一至兩個為被控變量。 有三個控制變量（兩個經(jīng)調(diào)節(jié)閥的流量和固態(tài)繼電器控制輸出電壓），可選為操作變量，或選為擾動輸入。選定被控變量、操作變量、主要擾動和控制方案后， 只要在模擬控制流程圖上的插座孔進行不同的連接，就能方便、迅速地組成不同的控制系統(tǒng)。</p><p>　　在帶連接信號插座孔的流量裝置工藝模擬流程圖中所示，

20、簡單內(nèi)給定閉環(huán)內(nèi)容器流量控制回路的接線方式如下：首先把內(nèi)容器流量FT1的電流信號串入無紙記錄儀的1號通道R1，再串入到1號調(diào)節(jié)器的輸入端PV，如：FT1(+)接R1(+)，R1（-）接C1(PV+)，C1(PV-)接FT1(-)，再把調(diào)節(jié)器的控制輸出信號接到VL1上，如：C1的O(+)接VL1的（+）， VL1的（-）接C1的O(-)連接即可完成。用同樣的方法可構(gòu)成串級控制回路、比值控制回路等復雜控制回路。</p><

21、;p>　　2.3 系統(tǒng)調(diào)試與控制效果</p><p>　　接好線后，接下來便檢查了計算機與控制系統(tǒng)的通訊效果，一開始一直無法達到實驗指導書上的圖片的效果。如圖2.2</p><p><b>　　圖2.2</b></p><p>　　后來自己有仔仔細細地按照步驟重新設(shè)置了一次，終于成功了。原來是自己把一個參數(shù)沒有設(shè)置正確，粗心大意萬萬不可啊

22、。</p><p><b>　　圖2.3</b></p><p>　　然后后面又遇到了一個問題，設(shè)備通道的地址一直調(diào)不出來，數(shù)據(jù)類型要選擇16..32..浮點型的，自己也不知道選擇哪個好。幸虧有同學指教，才選擇出來正確的數(shù)據(jù)類型。最終也完成了MCGS與智能儀器的通訊。如圖2.3。</p><p>　　由于學期初選擇了自動化工程訓練，所以對MCG

23、S這款軟件不是很陌生，所以用MCGS創(chuàng)建工程組態(tài)的時候沒有遇到太大的問題。</p><p>　　接下來就是調(diào)試，確定參數(shù)了。我用了三種控制方法，分別是增量式PID算法，積分分離式PID算法，還有就是帶死區(qū)的PID算法。首先進行的是增量式PID算法，我將控制周期設(shè)計為2s，然后應(yīng)用了PID整定口訣：</p><p>　　參數(shù)整定找最佳，從小到大順序查</p><p>

24、　　先是比例后積分，最后再把微分加</p><p>　　曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大</p><p>　　曲線漂浮繞大灣，比例度盤往小扳</p><p>　　曲線偏離回復慢，積分時間往下降</p><p>　　曲線波動周期長，積分時間再加長</p><p>　　曲線振蕩頻率快，先把微分降下來</p>&

25、lt;p>　　動差大來波動慢。微分時間應(yīng)加長</p><p>　　理想曲線兩個波，前高后低4比1</p><p>　　一看二調(diào)多分析，調(diào)節(jié)質(zhì)量不會低</p><p><b>　　PID控制規(guī)律：</b></p><p><b>　　公式（2.1）</b></p><p>

26、;　　變換成差分方程可得數(shù)字PID位置型控制算法：</p><p><b>　　公式（2.2）</b></p><p><b>　　可簡記為：</b></p><p><b>　　公式（2.3）</b></p><p>　　先確定比例系數(shù)，通過秒表計時，通過調(diào)節(jié)參數(shù)P,將誤差穩(wěn)

27、定在1%，時間為100s。開始從200開始嘗試，發(fā)現(xiàn)不是很理想，系統(tǒng)無法達到預設(shè)值，隨后向300增加，發(fā)現(xiàn)效果變得越來越好，當比例項調(diào)到400時，雖然能達到預設(shè)值，但是時間過于漫長，不利于控制。最終的P參數(shù)設(shè)定為312。</p><p>　　然后再去確定I參數(shù)，I參數(shù)從6開始增加，用同樣的方法最終在12的時候確定了最佳參數(shù)。由于控制效果很好所以沒有加D微分參數(shù)。</p><p>　　下面再

28、進行分離閾值的PID控制方法，因為分離閾值適用于誤差比較大控制方式，我們的系統(tǒng)流量最大值是50L/h，所以誤差較小，分離閾值的方法不是很適用，最終將閾值設(shè)定為0.3。</p><p>　　最后我嘗試了帶死區(qū)的PID調(diào)節(jié)，由于電磁閥的使用壽命有限，為了最大延長電磁閥的壽命，帶死區(qū)的PID調(diào)節(jié)應(yīng)該是最好的，最終我將死區(qū)確定在0.7。</p><p>　　實驗中最難調(diào)試的還是增量式PID，由于參

29、數(shù)范圍變化大，后來我嘗試了二分法的方式進行嘗試，效果還可以，節(jié)省了很多時間。</p><p>　　最終的控制結(jié)果是PID控制方式最好的。0-20L/h控制時間位于大約94s左右。30L/h-35L/h是效果最好的區(qū)間，大約在40s左右就可以完成控制，達到預期效果。但是超過45L/h的時候就需要110秒左右的時間了?？刂菩Ч蕛蛇吚щy，中間容易的趨勢。</p><p>　　第三章 流量系統(tǒng)

30、設(shè)計</p><p>　　3.1流量控制系統(tǒng)總設(shè)計圖</p><p>　　本課程設(shè)計流量控制系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)形式可以分為單閉環(huán)流量控制系統(tǒng)和雙閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)。單回路控制系統(tǒng)包含一個測量變送器、一個調(diào)節(jié)器、一個執(zhí)行器和對象，對對象的某一個被控制參數(shù)進行閉環(huán)負反饋控制。雙回路流量比值控制系統(tǒng)有兩個閉環(huán)回路組成，給定流量作為內(nèi)容器的設(shè)定值，內(nèi)流量的反饋和比值器相乘作為外容器的給定。兩個閉環(huán)回路均

31、采用位置PID進行設(shè)計。</p><p>　　3.1.1流量單閉環(huán)控制系統(tǒng)</p><p>　　流量單閉環(huán)控制系統(tǒng)以下四個部分組成: （1）被控對象——流量對象內(nèi)容器；（2）電子閥；（3）流量變送器；（4）PID智能調(diào)節(jié)器。其帶控制點的工藝流程圖和方塊圖如圖3.1和圖3.2所示。</p><p><b>　　圖3.1</b></p>

32、<p><b>　　圖3.2</b></p><p>　　圖5被控對象為內(nèi)容器，操作變量為內(nèi)容器電子調(diào)節(jié)閥VL1的閥位開度輸出，調(diào)節(jié)參數(shù)是流入水箱的水流量Q1，內(nèi)容器流量由流量變送器檢測得到，并作為反饋信號Qf,它和流量給定值Qs進行比較，得到偏差信號Qi, 調(diào)節(jié)器對輸入偏差Qi進行PID運算，輸出變化量u控制信號，控制電子調(diào)節(jié)閥VL1的閥位，改變調(diào)節(jié)參數(shù)Q，使被調(diào)節(jié)參數(shù)Q1保

33、持著設(shè)定值。其中f為系統(tǒng)擾動信號。</p><p>　　3.1.2流量比值控制</p><p>　　本裝置中有兩個可控制的水流量，一路進夾套，一路進內(nèi)容器。一般可從中任意選擇一路流量為主動量，另一路則為從動量，以此組成單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)或雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)。若以進內(nèi)容器水流量Q1為主動量、進外容器水流量Q2為從動量可組成雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)。其帶控制點的工藝流程圖和方塊圖如圖3.3和3.4所

34、示。</p><p>　　圖3.3雙閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)工藝流程圖</p><p>　　圖3.4雙閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　給定流量作為內(nèi)容器的設(shè)定值，內(nèi)流量的反饋和比值器相乘作為外容器的給定。兩個閉環(huán)回路均采用位置PID進行設(shè)計。</p><p>　　3.2流量控制系統(tǒng)硬件設(shè)計</p><p>

35、;<b>　　1.智能調(diào)節(jié)器選型</b></p><p>　　采用虹潤的儀表公司的NHR-５３３０Ａ－２７／２７－０／０／２／Ｄ２／２Ｐ（１２／２４）／Ｄ智能調(diào)節(jié)器，其參數(shù)如下:</p><p>　　規(guī)格尺寸：160*80*110mm（橫式）</p><p>　　輸入信號：模 擬 量 </p><p>　　第一

36、路(測量)輸入分度號 ： 4～20mA (-1999～9999) </p><p>　　第二路(閥位反饋或外給定)輸入分度號：4～20mA (-1999～9999) </p><p>　　控制輸出：4-20mA(RL≤600Ω) </p><p><b>　　報警點數(shù)：２限報警</b></p><p>　　通訊接口（通

37、訊協(xié)議）：RS232通迅接口（Modbus）</p><p>　　饋電輸出（輸出電壓）：2路饋電輸出供電電源 ：DC 20-29V 精度：測量顯示精度±0.5%FS或±0.2%FS</p><p>　　頻率轉(zhuǎn)換精度±1脈沖（LMS）一般優(yōu)于0.2%</p><p><b>　　2.電動調(diào)節(jié)閥選型</b><

38、/p><p>　　采用湖南力升信息設(shè)備有限公司的LSDZ-50電動調(diào)節(jié)機構(gòu)，技術(shù)指標如下</p><p>　　出軸力矩(N.m)：50</p><p>　　動作范圍：0~360°</p><p>　　動作時間（S）:20</p><p>　　控制電路選項:4-20mA輸入</p><p>

39、　　位置輸出：4-20mA直流</p><p>　　動力電源：220VAC 50Hz</p><p>　　精度：定位精度：0.5%，位置反饋精度：0.5%</p><p>　　環(huán)境溫度：-25~+55℃</p><p><b>　　3.流量計選型</b></p><p>　　采用湖南金湖潤華儀表科

40、技有限公司的RH-LDE液體流量計，技術(shù)指標如下:</p><p><b>　　4.比值器選型</b></p><p>　　采用虹潤的NHR-5200Ａ－２７／２７－０／０／２／Ｄ２／２Ｐ（１２／２４）／Ｄ－（Ｑ），技術(shù)指標如下:</p><p>　　規(guī)格尺寸：160*80*110mm（橫式）</p><p>　　輸入

41、信號：模 擬 量 </p><p>　　第一路(測量)輸入分度號 ： 4～20mA (-1999～9999) </p><p>　　第二路(閥位反饋或外給定)輸入分度號：4～20mA (-1999～9999) </p><p>　　控制輸出：4-20mA(RL≤600Ω)</p><p><b>　　報警點數(shù)：２限報警&l

42、t;/b></p><p>　　通訊接口（通訊協(xié)議）：RS232通迅接口（Modbus）</p><p>　　饋電輸出（輸出電壓）：2路饋電輸出　　供電電源 ：DC 20-29V 5.無紙記錄儀選型</p><p>　　采用虹潤公司的HR-SSR－８－１單色無紙記錄儀，技術(shù)指標如下:</p><p>　　顯示器：采用160*128點

43、陣、高亮度黃底黑字液晶屏，LED背光、畫面清晰；</p><p>　　輸入信號：電 流：0～10mA、4～20mA等輸入阻抗≤250Ω</p><p>　　輸出信號：DC 4～20mA（負載電阻≤500Ω）</p><p>　　環(huán)境溫度：0-50℃</p><p>　　測量精度：±0.5%FS或±0.2%FS</p&

44、gt;<p>　　測量范圍：-9999～19999字</p><p>　　記錄間隔：1、2、5、10、15、30、60、120、240秒可選</p><p><b>　　6.水泵選型</b></p><p>　　采用威樂山姆遜(北京)水泵系統(tǒng)有限公司的立式單級管道泵 IL，技術(shù)指標如下：</p><p>　

45、　流量范圍: 900m3/h</p><p>　　壓力范圍: 最大揚程：85m</p><p>　　功率范圍: 0.25kw至200kw</p><p>　　說明：需用兩臺泵并聯(lián)抽水.</p><p>　　第四章 收獲、體會和建議</p><p>　　這次的課程設(shè)計是我大學中的最后一次課程設(shè)計，所以內(nèi)心十分復雜，看著學

46、校寬敞明亮的實驗室隨時對你開放，從早上8點到晚上22點半，都可以進實驗室學習。自己挺后悔大學時候沒有把握好機會多在實驗室里面學習，想到就快去工作了，內(nèi)心也是十分傷感。首先十分感謝*老師在實驗過程中的指導和教誨讓我無論從知識上還是心態(tài)上都有了很大的進步。這次試驗讓我學以致用，用所學的知識具體到一個課題上，讓我感受到了知識的魅力。實驗一開始我便去圖書館借了基本參考書，發(fā)現(xiàn)PID的整定是一個需要耐心和學識的領(lǐng)域，在火力發(fā)電廠尤其重要，一個能把

47、PID參數(shù)調(diào)整好，會為一個企業(yè)創(chuàng)造很大的財富。我在實驗中運用的是最簡單的方法，但是我也感受到了PID的魅力?？此坪唵蔚娜齻€參數(shù)，便可以控制好多復雜的事物。這個思想我今后也會牢牢記住，運用到其他領(lǐng)域。我這次實驗的成功少不了老師和同學的幫助和支持，在這里對幫助過我的老師和同學說一聲謝謝！同時也感謝學校能提供這么好的設(shè)備讓我進行試驗設(shè)計！</p><p><b>　　參考文獻</b></p&